Comment fonctionnent les boulons

Boulons sont des composants fondamentaux de la fabrication moderne, largement utilisés dans les produits commerciaux et industriels allant des avions de ligne aux outils de jardinage. Bien que leur fonction puisse paraître simple, les boulons possèdent des propriétés mécaniques et des caractéristiques de conception relativement complexes pour réaliser des connexions fiables.

Les performances pratiques d'un boulon dépendent non seulement de son ajustement dans le trou de montage, mais également d'un ensemble de spécifications spécifiques. Le type de boulon, les dimensions physiques, la densité du filetage, la qualité du matériau et les exigences de serrage sont tous des facteurs critiques pour un assemblage efficace des boulons. De même, la combinaison adaptée d'écrous et de boulons a un impact significatif sur l'assemblage des composants et les performances globales du produit. Un boulon trop long peut provoquer des interférences mécaniques, tandis qu'un boulon ayant une résistance à la traction insuffisante peut entraîner des dommages matériels. Par conséquent, comprendre comment les boulons remplissent leur fonction peut faire la différence entre un projet réussi et un projet échoué.

Filetages de boulons

Les filetages sont l'une des principales caractéristiques d'un boulon. Leur fonctionnement repose sur le principe de base d'un plan incliné enroulé en hélice autour de la tige de la fixation. Cette hélice convertit la force de rotation en mouvement linéaire axial. La rotation du boulon entraîne l'écrou homologue à se déplacer le long de la surface hélicoïdale inclinée. Plus le couple de serrage appliqué est élevé, plus la force axiale poussant l'écrou vers l'avant est élevée, ce qui étire la tige du boulon et génère une force de serrage qui comprime les composants assemblés. Les fils à pas plus fin peuvent améliorer la capacité des articulations. Pourboulons à haute résistance, le roulage du filetage effectué après traitement thermique améliore encore la résistance du filetage et la résistance à la fatigue.

Forces mécaniques

Le serrage d'un boulon engage plusieurs types de forces mécaniques qui maintiennent le joint assemblé en sécurité. Les principales forces générées lors de l'installation des boulons sont décrites ci-dessous :

Force de serrage :Force de compression exercée par le boulon sur le joint pour maintenir fermement deux ou plusieurs composants ensemble.

Préchargement :Produit lorsque les filetages s'engagent et que la tige du boulon s'étire pendant le serrage. La précharge maintient le filetage accouplé et verrouillé en position.

Force de cisaillement :Charge transversale agissant perpendiculairement à l’axe du boulon. La force de cisaillement peut exister indépendamment ou se superposer à une charge de traction.

Force de traction :Charge appliquée le long de l'axe longitudinal du boulon, agissant sur sa longueur plutôt que sur sa section transversale.

La force de serrage maintient les composants ensemble et est déterminée conjointement par la précharge et la rigidité des pièces connectées. La séparation des joints et la rupture des boulons se produisent lorsque la charge de traction externe compense complètement la précharge. Généralement, une précharge plus élevée donne une force de serrage plus élevée et un assemblage boulonné plus fiable. Dans des conditions d’assemblage idéales, des joints correctement serrés devraient minimiser les charges de cisaillement directes. Des formules de calcul détaillées peuvent être trouvées dans les références professionnelles de conception de fixations.

Fabrication pour la performance mécanique

L'American Society for Testing and Materials (ASTM) établit de nombreuses normes régissant les dimensions des boulons, les matières premières et les processus de post-traitement. Les boulons sont disponibles en différentes longueurs nominales et en plusieurs configurations de tête, notamment à tête hexagonale, ovale, plate et à tête creuse. Les performances mécaniques globales d'un boulon peuvent être évaluées par son allongement à la rupture, tandis que la limite d'élasticité définit le seuil de contrainte auquel se produit la déformation plastique. La résistance à la traction est toujours supérieure à la limite d'élasticité. En service, les charges de fonctionnement sur les boulons doivent rester inférieures à la limite d'élasticité. Les boulons présentant un écart important entre la résistance à la traction et la limite d'élasticité sont considérés comme ductiles ; ils subissent un allongement plastique considérable avant la rupture finale.

De nombreux types de boulons sont disponibles, tels queBoulons en T.Ils peuvent être fabriqués à partir d'une large gamme de matériaux, parmi lesquels l'acier constitue le choix prédominant pour la plupart des applications à haute résistance. Les boulons en acier sont classés en fonction de leur résistance à la traction et de leur limite d'élasticité exprimées en Newtons par millimètre carré (N/mm²). Par exemple, un boulon en acier de classe 5.8 présente une résistance nominale à la traction d'environ 500 N/mm² et une limite d'élasticité nominale d'environ 400 N/mm². D'autres matériaux de boulons courants, notamment l'acier inoxydable résistant à la corrosion, l'acier allié et les matériaux composites, suivent le même système de classification.